10.4. Строение и свойства железоуглеродистых сплавов

Железо в чистом виде встречается очень редко. Его получают из железных руд при высоких температурах, которые создают за счет горения кокса (угля). Образующееся железо Fe растворяет в себе определенное количество углерода и небольшое количество примеси: сопутствующих металлов и металлоидов (Mn, Si, P, S) и из воздуха газов − O₂, N₂, H₂ [2, 8 ].

Железо с углеродом образует сплавы: твердые растворы внедрения и химические соединения, которые, в свою очередь, образуют сплавы гетерогенной структуры. В зависимости от содержания углерода С в Fe получают стали (содержание С до 2,14%) или чугуны (С от 2,14% и более).

Таким образом, то, что в обиходе называют железом, является сплавом железа с углеродом в виде стали или чугуна, представлящих собой важнейшие материалы в технике.

10.5. Строение и свойства железа

Железо − это металл серебристо−белого цвета, имеющий плотность 7680 кг/м³, = 1539°С, атомную массу 55,85 и атомный номер 26 (находится в VIII группе и 4−м периоде таблицы Д. И. Менделеева). Абсолютно чистое железо неизвестно. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит Fe 99,999%. Технические сорта содержат Fe 99,8−99,9%; такое Fe называют «армко железо», его используют в электротехнике в качестве магнитного материала. Чистейшее имеет совсем другие свойства, чем технически чистое [2].

Рис. 10.19 Кривые нагрева и охлаждения Fe [2].

На рис. 10.19 приведены кривые нагрева и охлаждения Fe, на которых в виде площадок отмечены критические точки при нагревании: и охлаждении). Железо при обычных температурах имеет решетку и его называют . При нагреве до температуры 910°С сохраняет решетку объемноцентрированного куба. Однако, начиная с температуры 770°С и выше, становится немагнитным (парамагнетиком). Это часто называют . При температуре 910°С происходит перегруппировка атомов, и решетка становится ; такое железо называют . При температуре 1400°С вновь происходит перегруппировка атомов , и образуется решетка Это высокотемпературное нередко называют . При температуре 1539°С ± 5°С Fe плавится [2, 8].

При переходе в кристаллическая решетка перестраивается из в при этом происходит ее объемное сжатие. Выше уже отмечалось, что в решетке атомы занимают объем 68%, а в − 74%. Поэтому плотность Fe при переходе из α− в −модификацию возрастает с 7,68 Мг/м³ до 8,0÷8,1 Мг/м³ при 20°С (получено экстраполированием).

10.6. Компоненты и фазы в сплавах системы (железо−углерод)

Основными компонентами сплавов системы является железо и углерод. Строение и свойства железа рассмотрены в гл. 10.5. Рассмотрим кратко строение и свойства второго компонента сплавов − углерода С.

Углерод − неметаллический элемент с атомным номером 6 (VI группа, 2−й период таблицы Д.И. Менделеева). Его плотность − 2,5 Мг/м³, = 3500°С. Он полиморфен и в обычных условиях находится в виде графита. Графит имеет решетку гексагональную, слоистую; обладает низкой прочностью и относительно невысокой электропроводностью. У поликристаллического графита плотность равна 2,26 Мг/м³, а удельное электрическое сопротивление . Углерод растворяется в Fe, образуя жидкие и твердые растворы, а также образует с Fe химическое соединение − цементит (карбид железа ).

В высокоуглеродистых сплавах (в чугунах) углерод может находиться еще и в виде свободного графита [2 ].

Основными фазами и структурными составляющими сплавов системы , от которых зависят свойства и поведение сплавов при механических и тепловых нагрузках, являются: феррит , аустенит , цементит и продукты их эвтектического и эвтектоидного превращения: ледебурит и перлит .

Рис. 10.20. Элементы фазовой диаграммы системы Fe—С [2].

Феррит (от лат. ferrum − железо) − это твердый раствор углерода (и других примесей, например ) в α−железе. Различают низкотемпературный с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный феррит предельной растворимостью углерода 0,1%.

Атомы растворенного углерода в Ф располагаются в центре граней о.ц.к. решетки, а также в вакансиях, на дислокациях и других дефектах. Феррит имеет невысокую твердость и прочность, которые зависят от количества растворенного в нем углерода, НВ ≈ 80 (65÷130) кгс/мм² , кгс/мм² (250 МПа) и высокую пластичность: его относительное удлинение перед разрывом , а поперечное сужение . Поэтому технически чистое Fe (применяется в электротехнике), структуру которого представляют зерна феррита, хорошо подвергается холодной деформации, т.е. хорошо штампуется, прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в сплавах, тем они более пластичны. При растворении в феррите и , которые являются неизбежной примесью реальных сталей, твердость феррита возрастает до НВ=100 кгс/мм² (1000 МПа). До температуры 770°С Феррит является сильным ферромагнетиком, хорошо проводит ток и тепло [2].

Аустенит (по имени английского ученого Аустена) − это твердый раствор углерода (и других элементов) в . Атомы растворенного в аустените углерода располагаются в центре элементарных ячеек г. ц. к. решетки. В зависимости от температуры, в Аустенит а углерода может раствориться до 2,14% (при Т = 1147°С), т.е. больше, чем в феррите . Аустенит обычно существует только при °С. При комнатной температуре он иногда в небольшом количестве сохраняется только в закаленной стали. Аустенит пластичен, его твердость НВ ~ 160÷200 кгс/мм² (1600÷2000 МПа),. Аустенит − парамагнетик, хуже проводит электрический ток и тепло, чем феррит.

Способность и растворять неодинаковое количество углерода играет важную роль при термической и химико−термической обработке стали [2].

Цементит (указывает на твердость этой фазы) − это химическое соединение с − карбид железа . Содержание углерода в Цементита 6,67%, температура плавления точно не установлена в связи с возможностью его распада и принимается равной примерно 1550°С (в литературе встречается и 1600°, и 1250°С). Цементит при определенных условиях может распадаться на феррит и графит. До температуры 210°С (точка ) Цементит слабо магнитен, выше − становится практически немагнитным. Цементит является самой твердой и хрупкой фазой в сплавах . Его твердость составляет НВ m 800 кгс/мм² (8000 МПа), а пластичность практически равна нулю, поэтому он способен только к небольшим упругим деформациям. Чем больше Цементита в сплавах , тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают (например, чугуны).

Различают цементит первичный − кристаллизуется непосредственно из жидкого раствора системы , вторичный − продукт распада аустенита и третичный − продукт распада феррита [2].

Ледебурит (по имени немецкого учёного Ледебура) имеет эвтектическую структуру (колониального типа), состоящую из аустенита и цементита, одновременно кристаллизующихся из жидкого раствора при постоянной температуре, равной 1147°С. Ледебурит содержит углерода 4,3%. Он присутствует во всех затвердевших сплавах, содержащих углерод от 2,14 до 6,67%, называемых чугунами (в сталях его нет).

Образование Ледебурита идет из жидкого раствора по схеме

С

(цифры в этой схеме и в схеме, приведенной ниже, указывают содержание углерода в данной фазе). Таким образом, при 1147°С имеет место эвтектическое превращение, в результате которого образуется ледебурит [2].

При температурах выше 727°С ледебурит представляет собой аустенитно−цементитную эвтектику и обозначается через . При температурах, равной и ниже 727°С, аустенит превращается в перлит (см. ниже) и образуется структура, содержащая перлит и цементит. Эта структура обозначается буквой . Ледебурит − твердая и хрупкая структурная составляющая чугунов. При обычных температурах его твердость НВ и 650 кгс/мм² (6500 МПа).

Перлит (от франц. perle − жемчуг, указывает на перламутровый отлив шлифа) − представляет собой эвтектоидную структуру, состоящую из смеси зерен (пластинок) феррита и цементита, образующуюся при постоянной температуре, равной 727°С в результате распада аустенита. При остывании аустенита до 727°С содержание в нем углерода становится равным 0,8%. Распад происходит по схеме [2].

С

Распад аустенита называют эвтектоидным превращением, а образующуюся смесь тонких пластинок цементита и расположенных между (ними более толстых пластинок феррита − эвтектоидной. Вообще эвтектоидным превращением называют процесс, когда твердый раствор определенного состава (в данном случае аустенит) при постоянной температуре трансформируется в структуру, состоящую из новых твердых фаз (в данном случае Феррит и Цементит). Перлит образуется как в сталях, так и в чугунах и играет важную роль в формировании их механических характеристик. Механические свойства Перлита определяются формой и размером частиц цементитной фазы; чем мельче смесь, тем лучше свойства. Пластинчатый перлит имеет НВ= 180÷220 кгс/мм² (1800÷2200 МПа); [2].