Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – являются основными, наиболее распространенными материалами, используемыми в различных отраслях промышленности. Эти сплавы описываются диаграммой состоя- ния «Железо – углерод (цементит)» («Fe – Fe3C») (рис. 5.1).
Основными компонентами диаграммы являются железо и углерод. Температура плавления железа 1539 °С. В твердом состоянии оно может находиться в двух модификациях: α (решетка ОЦК) и γ (решетка ГЦК). Модификация Feα существует при температурах до 911°С и от 1392 °С до 1539°С. Важной особенностью Feα является его ферромагнетизм ниже температуры 768°С (точка Кюри). Модификация Feγ существует в интер- вале температур 911°С–1392°С.
Железо с углеродом образует растворы внедрения. Растворимость уг- лерода в железе зависит от температуры и от того, в какой кристалличе- ской форме существует железо. Твердый раствор углерода в Feα называет- ся ферритом, а в Feγ – аустенитом.
t, ° C 1539
1500
1400
1300
1200
1100
1000
911
900
800
700
600
Ж+Ф
| 115 ° |
| H |
| B |
| D' |
| J |
| Ж |
| Ж+А |
| Ж+ЦI |
| Ф+А |
| Ф |
| А |
| Е' |
| 1153 ° |
| C′ |
| E |
| Ф |
| 1147 ° |
| C |
| D F' F |
| G |
| А+Ф |
| А+Ц+Л |
| Ц+Л |
| M |
| А+ЦII |
| P |
| 738 ° |
| Ф+П Ф+ЦIII |
| S |
| 727 ° |
| Ц+Л |
| К' K |
| Ц+П |
| П+Ц+Л |
| L |
Q 0,02 0,8 1 2 2,14 3 4 4,3 5 6 6,67 С,%
10 20 30 40 50 60 70 80 90 Fe3С,%
Рис. 5.1 Диаграмма «Железо – углерод (цементит)»
Содержание углерода в диаграмме «Железо – углерод» ограничивается
6,67%, т. к. при этой концентрации образуется химическое соединение Fe3C
– цементит. Так как на практике применяют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода не более 5%, то цементит является вторым компо- нентом рассматриваемой диаграммы. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного уг- лерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение для получения высокоуглеродистых сплавов – серых чугунов.
В сплавах «Fe – C» существуют две высокоуглеродистые фазы: мета- стабильная – цементит и стабильная – графит. Поэтому различают две диаграммы состояния (рис. 5.1) – метастабильную «Железо – цементит» и стабильную «Железо – графит» (на рисунке показана пунктирными ли- ниями).
Координаты характерных точек диаграммы «Железо – цементит» при- ведены в таблице 5.1
Таблица 5.1.
Критические точки диаграммы «Железо – цементит»
| Обозначение точки | Т, °С | С,% | Обозначение точки | Т, °С | С,% |
| А | 1539 | 0 | F | 1447 | 6,67 |
| Н | 1499 | 0,1 | G | 911 | 0 |
| I | 1499 | 0,16 | P | 727 | 0,02 |
| B | 1499 | 0,51 | S | 727 | 0,8 |
| N | 1392 | 0 | K | 727 | 6,67 |
| D | 1250 | 6,67 | Q | ≈ 600 | 0,01 |
| E | 1147 | 2,14 | L | ≈ 600 | 6,67 |
| C | 1147 | 4,3 |
Точка А определяет температуру плавления чистого железа, точка D – цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных пре- вращений железа. Точки Н и P характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в ау- стените.
Превращения в сплавах системы «Fe – Fe3C» происходят как при за- твердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии.
Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяе- мых линиями ABCD (ликвидус) и AHIECF (солидус). Вторичная кристал- лизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите, при пониже- нии температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода из твер-
дых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризу- ют изменение концентрации углерода в аустените (ES) и феррите (PQ).
В системе «Fe – Fe3C» происходят три изотермических превращения: при t = 1499 °С, линия HIB – перитектическое превращение:
ФН + ЖВ → АI;
при t = 1147 °С, линия ECF – эвтектическое превращение:
ЖС → АЕ + Ц;
при t = 727 °С, линия PSK – эвтектоидное превращение:
АS → ФР + Ц → П.
Структурными составляющими данной системы являются: феррит
(Ф), аустенит (А), цементит (Ц), перлит (П), ледебурит (Л).
Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Feα, – мягкая, пла- стичная фаза (σВ = 300 МПа, δ = 40%, ψ = 70%, 650–1000 HB). Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная кон- центрация углерода в низкотемпературном феррите 0,02 % (P), в высоко- температурном – 0,1 % (H). Феррит магнитен до 768 ºС (линия МО).
Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Feγ, – более твер- дый и пластичный (δ = 40–50%, 2000–2500 НВ), не магнитен. Предельная концентрация углерода достигает 2,14% (Е).
Цементит – химическое соединение Fe3C, – имеет сложную кристал- лическую решетку. Температура плавления цементита около 1250 °С. По- лиморфных превращений не испытывает, но при низких температурах слабоферромагнитен. Цементит имеет высокую твердость (8000 НВ), но практически нулевую пластичность.
Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, – чаще всего име- ет пластичное строение, при котором кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита, и является прочной структурной составляющей (σВ = 800–900 МПа, δ = 16%, 1800 HB).
Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита в интервале температур 1147–727 °С, а ниже линии SK (727 °С) – смесь перлита и це- ментита. Ледебурит имеет высокую твердость > 6000 HB, но хрупок.
Железоуглеродистые сплавы подразделяют на техническое железо, стали и чугуны.
Техническое железо – сплавы железа с углеродом, содержащие до
0,02% С.
Стали – сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 до 2,14% С.
Чугуны – сплавы железа с углеродом, содержащие свыше 2,14 % С.
Дата: 2018-12-21, просмотров: 456.
