3.1.2. Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы Fe-Fe3c

Компоненты сплавов. Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод.

Железо (лат. Ferrum) открыто в III тысячелетии до н.э., это химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 26, атомный радиус 0,127 нм, атомная масса 55,8; плотность 7,83 г/см³. Блестящий серебристо-белый металл с температурой плавления 1539 °С. Широко распространено в природе, занимая второе место (после алюминия) среди металлов.

Железо имеет аллотропные модификации (рис. 3), которые различаются по кристаллической структуре или по магнитным свойствам. При температуре ниже 768 °С устойчиво ферромагнитное -железо с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК). При 768 °С (точка Кюри) железо становиться парамагнитным, решетка остается той же. Между 911 °С и 1392 °С устойчиво -железо с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392 °С вновь образуется ОЦК-решетка.

Железо является важнейшим металлом современной техники, хотя в чистом виде практически не используется по причине низких прочностных характеристик. Оно необходимо для жизнедеятельности многих живых организмов, в том числе и человека (входит в состав гемоглобина).

Способность железа растворять углерод и другие элементы служит основой для получения разнообразных сплавов способных выдерживать воздействие высоких и низких температур, вакуума и высоких давлений, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений и др. На долю таких сплавов приходится около 95 % всей металлической продукции (стали, чугуны, ферросплавы).

Углерод (лат. Carboneum) химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомный радиус 0,077 нм, атомная масса 12,011, плотность 2,5 г/см³, температура плавления  3500 °С.

Основные кристаллические модификации углерода – алмаз и графит. В решетке алмаза все атомы углерода соединены между собой очень прочными связями и образуют в пространстве непрерывный трехмерный каркас (рис. 30, а). В графите атомы углерода располагаются параллельными слоями, причем атомы внутри слоя связаны между собой сильнее, чем один слой с другим (рис. 30, б).

Рис. 30. Кристаллические решетки: а – алмаза; б – графита

Алмаз – диэлектрик, графит – хороший проводник электрического тока. Алмаз химически весьма стоек, графит при обычных условиях химически инертен, а при высоких температурах соединяется со многими элементами, является сильным восстановителем.

В соединениях с железом углерод приобретает металлические свойства. Он может растворяться в решетке железа по механизму внедрения, т.е. внедряться в межузельные пространства (поскольку атомный радиус углерода почти в два раза меньше, чем у железа), а также образовывать химические соединения Fe₃C; Fe₂C и др.

Содержание углерода в земной коре 6,5·10¹⁶ т. Значительное количество (около 10¹³ т) входит в состав горючих ископаемых (уголь, природный газ, нефть и др.), а также в состав углекислого газа атмосферы (6·10¹¹ т) и гидросферы (10¹⁴ т). Простейшие соединения углерода (диоксид углерода, метан) обнаружены в атмосфере почти всех планет Солнечной системы. Так, атмосфера Марса состоит в основном из диоксида углерода. Все организмы растений и животных построены из соединений углерода (средняя массовая доля углерода – 18 %).

Фазы системы Fe–Fe₃C. Компоненты сплавов системы Fe-Fe₃C образуют следующие фазы: жидкий раствор углерода в железе (ж), феррит (ф), аустенит (А) и цементит (ц).

Феррит (от лат. Ferrum – железо) – твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеющего ОЦК решетку. В ОЦК решетке имеются свободные места (так называемые поры) размерами 0,062 нм. Работы исследователей предполагают, что меньшая часть атомов углерода в кристаллической решетке Fe_ находится в порах, а большая – на дефектах решетки. Максимальная растворимость углерода в низкотемпературном феррите составляет 0,02 % при 727 С, а в высокотемпературном -феррите 0,1 % при 1499 С. При комнатной температуре феррит содержит 0,006 % углерода.

В феррите могут быть растворены кремний, марганец, фосфор и другие элементы. При t = 911…768 С феррит парамагнитен, а от 768 С до абсолютного нуля – ферромагнитен.

Феррит мягок, пластичен, имеет следующие свойства: _в = 250 МПа;  = 50 %;  = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м²; НВ 80.

Микроструктура феррита представляет собой однородные зерна (рис. 31).

Аустенит (от имени английского ученого Робертса-Аустена) – твердый раствор углерода и других элементов в -железе, имеющего ГЦК решетку. Эта решетка в центре имеет пору диаметром 0,102 нм в которой атом углерода с несколько большим размером (0,154 нм) может поместиться, вызывая увеличение параметров -решетки. При этом сам атом уменьшается в размерах, отдавая валентные электроны. Искажение решетки ведет к уменьшению остальных ее пор, которые становятся недоступными для других атомов углерода. На рис. 32 показана схема строения элементарной ячейки аустенита, в которой растворен один атом углерода. Углерод в аустените находится в виде атомов, ионизированных дважды. В тоже время атомы железа ионизированы однократно.

Рис. 31. Микроструктура феррита, × 500	Рис. 32. Кристаллическая решетка аустенита: – атомы железа; – атом углерода

Максимальная растворимость углерода в аустените при t = 1147 °С равна 2,14 %. При снижении температуры растворимость уменьшается и при t = 727 С составляет 0,8 %.

При t = 727 С вследствие аллотропического превращения Fe → Fe и очень малой растворимости углерода в -же­ле­зе аустенит распадается с образованием механической смеси феррита и цементита. Аустенит немагнитен, обладает по сравнению с ферритом меньшим удельным объемом, пластичен ( = 40…50 %), имеет твердость НВ 160…200. Микроструктура аустенита приведена на рис. 33. Цементит – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C), содержит углерода 6,67 %, плотность 7,82 г/см3.

Кристаллическая решетка цементита очень сложная и состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу (рис. 34). В вершинах октаэдров находятся атомы железа, каждый из которых принадлежит двум октаэдрам. Атом углерода находится в центре октаэдра. Температура плавления цементита (около 1250 С) точно не установлена, так как в процессе нагрева он разлагается, что и искажает результаты измерений. Аллотропических превращений цементит не претерпевает, но при низких температурах он слабо ферромагнитен. Магнитные свойства теряются при t = 727 С. Цементит имеет высокую твердость (НВ > 800, царапает стекло), но очень низкую (практически нулевую) пластичность. Он способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы железа могут замещаться атомами других металлов (хрома, марганца, вольфрама, молибдена и др.), а атомы углерода – неметаллами (азотом, кислородом), то есть образуется легированный цементит. Углерод в решетке цементита практически не растворяется. Цементит неустойчив и при определенных условиях распадается на железо и углерод в виде графита, что имеет очень важное практическое значение.

В железоуглеродистых сплавах цементит может выделяться из жидкого раствора (в виде крупных равноосных зерен), из аустенита (в виде сетки по границам зерен) и из феррита (в виде очень мелких кристаллов по границам зерен). В первом случае цементит называется первичным (Ц _I), во втором – вторичным (Ц _II), в третьем – третичным (Ц _III). Химические и физико-механические свойства всех трех типов цементита абсолютно одинаковы.

Основные точки диаграммы Fe-Fe₃C. Приводимые на диаграмме буквенные обозначения точек являются общепринятыми в международной практике (рис. 29).

Точка А (1539 С) соответствует температуре плавления чистого железа, а точка D (≈1250 С – приблизительной температуре плавления цементита. При температуре 1392 С (точка N) происходят полиморфные превращения Fe_ ↔ Fe_, а при t = 911 °С (точка G) – полиморфные превращения Fe_ ↔ Fe_.

Точка Р (727 С) соответствует максимальному содержанию углерода в -железе, а точка Е (1147 °С) – максимальному содержанию углерода в -железе.

При охлаждении аустенита с содержанием углерода 0,8 % в точке S (727 С) происходит его распад на механическую смесь феррита (имеющего 0,02 % углерода) и цементита вторичного. Такая смесь называется перлитом (франц. perlite, от Perle – жемчуг) и обозначается символом П:А_0,8 ↔ П (Ф_0,02 + Ц _II)

Следовательно, основными условиями образования перлита в железоуглеродистых сплавах являются содержание углерода в аустените 0,8 % и температура 727 С.

Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: _в = 800…900 МПа,  ≤ 16 %, НВ 180…220.

При охлаждении жидкого расплава с содержанием углерода 4,3 % в точке С (1147 ^оС) образуется механическая смесь аустенита с содержанием углерода 2,14 % и цементита первичного. Эта смесь называется ледебуритом (от имени немецкого металлурга А. Ледебура) и обозначается индексом Л: Л [А_2,14 + Ц _I]

При t = 20…25 °С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (НВ > 600) и хрупкости.

Линии диаграммы представляют собой семейство критических точек, в которых происходят какие-либо превращения в железоуглеродистых сплавах.

Линии АВСД и NJECF – соответственно линия ликвидус и линия солидус, показывают температуры начала и конца кристаллизации жидких сплавов. При температурах, соответствующих линии HJB происходит перитектическое превращение. Линия МО (768 С) указывает на температуру перехода феррита из магнитного состояния в немагнитное при нагреве и наоборот при охлаждении. Это превращение не относится к разряду фазовой перекристаллизации. Линии GS и PG соответствуют температурам начала и конца полиморфного превращения феррита в аустенит при нагреве и аустенита в феррит при охлаждении. Линии QP и SE указывают на предельную растворимость углерода в - и -железе. Линия ECF (1147 С) – семейство точек, при которых протекает эвтектическое превращение в сплавах. Эвтектика (от греч. eutektos – легко плавящийся) – тонкая механическая смесь твердых фаз, одновременно закристаллизовавшихся из расплава. При охлаждении сплава с содержанием углерода 4,3 % в точке С образуется чистая эвтектика – ледебурит. Этот сплав называют эвтектическим чугуном. Чугуны с содержанием углерода менее 4,3 % называются доэвтектическими, а при содержании более 4,3 % – заэвтектическими.

На рис. 35 приведены микроструктуры белых чугунов.

Обязательной структурной составляющей белых чугунов является ледебуритная эвтектика, которая отличается большой хрупкостью, а это вызывает хрупкость чугунов. Наиболее хрупок заэвтектический чугун, который кроме ледебурита имеет крупные хрупкие кристаллы первичного цементита.

а б в

Рис. 35. Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектического, × 100; б – эвтектического, × 500; в – заэвтектического, × 500

Линия PSK (727 °С) – линия эвтектоидного превращения. Эвтектоид (от эвтектика и греч. eidos – вид) аналогичная эвтектике структурная составляющая металлических сплавов, но в отличие от нее образующаяся не из жидкой, а из твердой фазы и потому имеющая более тонкое дисперсное строение. Так при охлаждении аустенита с содержанием углерода 0,8 % в точке S образуется эвтектоид – тонкодисперсная механическая смесь феррита и цементита вторичного, называемая перлитом. Такой сплав именуется эвтектоидной сталью. Стали, имеющие углерода менее 0,8 % называются доэвтектоидными, а более 0,8 % – заэвтектоидными.

После полного охлаждения в равновесных условиях стали будут иметь следующие структуры (рис. 36):

– доэвтектоидные – Ф + П (Ф + Ц _II);

– эвтектоидные – П (Ф + Ц _II);

– заэвтектоидные – П (Ф + Ц _II) + Ц _II.

С увеличением в стали содержания углерода растет количество цементитной составляющей как в составе перлита, так и в свободном состоянии. Это ведет к повышению твердости и прочности, но понижаются пластичность и вязкость.

Углерод также влияет на технологические свойства стали. Увеличение содержания углерода приводит к снижению способности стали деформироваться в горячем и, особенно в холодном состоянии, ухудшает свариваемость.

а	б
в	Рис. 36. Структуры сталей: а – доэвтектоидной (0,4 % С). Светлые зерна – феррит; темные – перлит, ×250; б – эвтектоидной (перлит, 0,8 % С), ×1000; в – заэвтектоидной (1,2 % С), ×200