Файл: 6. Сплавы железа с углеродом 1 Общие сведения о сплавах железа с углеродом.pdf

1
6. Сплавы железа с углеродом
6.1 Общие сведения о сплавах железа с углеродом
К железоуглеродистым сплавам относятся стали и чугуны.
Сталь – сплав железа и углерода с содержанием углерода не более
2.14%.
Чугун – сплав железа и углерода с содержанием углерода от 2.14% до
6.67%.
Чугуны и стали являются наиболее распространенными конструкционными материалами. Объём их производства более чем в 10 раз превосходит суммарный объём производства всех других металлов и сплавов.
Широкое использование этих сплавов объясняется тем, что:

в земной коре содержится сравнительно много железа;

железо легко восстанавливать до металлического состояния;

технология производства сталей относительно несложная;

железо имеет достаточно высокую температуру плавления (1539ºС);

железо имеет полиморфное (аллотропическое) превращение, что позволяет получать в его сплавах большое количество структур с различными свойствами.
Основным компонентом сталей и чугунов является железо – элемент с атомным номером 26 по таблице Д.И. Менделеева, относительная атомная масса 56, элемент VIII группы побочной подгруппы; на внешнем энергетическом уровне находятся два электрона. Железо обладает основными свойствами, характерными для металлов – металлический блеск, наличие металлической связи, высокие тепло- и электропроводность, высокая пластичность, ковкость и т.д. Плотность железа составляет

2
ρ ≈ 7870 кг/м
3
. При 768
о
С железо испытывает магнитное превращение – выше 768
о
С железо становится немагнитным.
В твердом состоянии железо, в зависимости от температуры, может иметь либо объёмно центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую решётку, либо гранецентрированную кубическую (ГЦК). При температуре до
911
о
С железо имеет ОЦК-решетку и обозначается как Fe
α
(читается как
«альфа-железо»). При температуре 911
о
С в железе происходит полиморфное превращение – атомы в кристаллической решетке перестраиваются диффузионным путём и образуют ГЦК-решетку. Такое железо с ГЦК- решеткой обозначается Fe
γ
(«гамма-железо»). Это строение сохраняется до
1392
о
С – при этой температуре решетка снова перестраивается и приобретает
ОЦК-строение. Такое железо обозначается Fe
δ
(«дельта-железо»). При дальнейшем нагреве железа ОЦК-решетка сохраняется вплоть до температуры плавления (1539
о
С).
Основной причиной полиморфных превращений является стремление любого вещества обладать минимальным запасом свободной энергии F. Если у металла при достижении какой-то определенной температуры изменение типа кристаллической решетки обеспечивает уменьшение запаса свободной энергии, то такой металл претерпевает полиморфное превращение. Графики зависимости свободных энергий железа с различными типами кристаллической решетки от температуры показаны на рисунке 6.1. Из рисунка видно, что при температурах ниже 911
о
С и выше 1392
о
С меньшим уровнем свободной энергии обладает ОЦК-решетка, а при температурах
911…1392
о
С – ГЦК-решетка.

3
Рисунок 6.1 – Изменение свободной энергии железа с различными типами кристаллической решетки в зависимости от температуры
6.2 Виды взаимодействия железа и углерода
Углерод с железом может взаимодействовать двумя способами – образовывать твердые растворы внедрения углерода в железе или образовывать химические соединения.
Образование твёрдых растворов
Железо со многими элементами может образовывать твердые растворы: с металлами – растворы замещения; с неметаллами (С, N, H) – растворы внедрения. Особо следует рассмотреть образование растворов углерода в железе.
Растворимость углерода в железе существенно зависит от того, в какой кристаллической форме находится железо.
Твердый раствор внедрения углерода в Fe

(железо с ОЦК-решеткой) называется ферритом. Диаметр поры (свободного пространства) в кристаллической ячейке ОЦК-решетки меньше, чем диаметр атома углерода.

4
По этой причине углероду трудно проникнуть в ОЦК-решетку железа, и в
ОЦК-решетке углерод практически не растворяется. Максимальная растворимость углерода в Fe

составляет 0.025% при 727ºС. При понижении температуры растворимость становится ещё меньше – при 600ºС растворимость углерода в железе составляет менее 0.01%, а при комнатной температуре – всего 0.006%.
В высокотемпературной модификации железа с ОЦК-решеткой (Fe
δ
) максимальная растворимость углерода составляет около 0.1% при температуре 1499ºС.
В связи с тем, что углерода в Fe

растворяется очень мало, механические свойства феррита близки к механическим свойствам чистого железа. Так, твердость по Бринеллю HB феррита составляет около 1000 МПа, пластичность

= 40%. Для сравнения, у чистого железа эти показатели равны соответственно НВ = 800 МПа и

= 40%.
Твердый раствор внедрения углерода в Fe
γ
называется аустенитом. В
ГЦК-решетке в центре ячейки имеется свободное пространство, в которое может поместиться атом углерода, вызывая при этом некоторое увеличение размера решетки Fe
γ
. За счет этого растворимость углерода в аустените существенно выше, чем в феррите. Максимальная растворимость углерода в
Fe
γ
составляет 2.14% при 1147ºС, при понижении температуры растворимость уменьшается и при 727ºС составляет 0.8%. Аустенит имеет лучшие, чем феррит, прочностные свойства (твердость НВ = 1800 МПа) и хорошие пластические свойства (

= 50 %).
Образование химических соединений
Железо с углеродом образует ряд карбидов, основным из которых является Fe
3
C, который называется цементитом. В силу того, что стехиометрический состав этого соединения постоянный, то содержание

5 углерода в цементите тоже постоянно и составляет 6.67%. Цементит имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку. Температура плавления цементита составляет ≈ 1252ºС.
Полиморфных превращений цементит не испытывает.
При температурах ниже 217ºС является ферромагнитным. Имеет очень высокую твёрдость (НВ > 8000 МПа, легко царапает стекло), но при этом цементит очень хрупкий – он имеет практически нулевую пластичность

≈ 0.
Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом (N, O); атомы железа – металлами (Mn, Cr, W и др.) Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом (Mе
3
C).
При медленном охлаждении сталей из аустенита выделяются кристаллы перлита – механической смеси феррита и цементита. Зёрна перлита представляют собой набор чередующихся пластинок феррита и цементита. Содержание углерода в перлите составляет 0.8%.
6.3 Диаграмма состояния «железо (Fe) - цементит (Fe
3
C)»
Диаграмма состояния «железо (Fe) - цементит (Fe
3
C)» графически отображает структурный состав всех сплавов железа с углеродом в зависимости от содержания углерода и температуры. Диаграмма состояния
«железо – цементит» представлена на рисунке 6.2.
На диаграмме состояния «железо – цементит», как и на любых других диаграммах состояния бинарных систем, по оси абсцисс откладывается содержание одного из компонентов (в данном случае углерода либо цементита), а по оси ординат – температура. Левая вертикальная ось соответствует чистому железу, правая – цементиту.

6
Рисунок 6.2 – Диаграмма состояния «железо – цементит»
Линиями диаграммы являются сплошные линии, которые показывают начало и конец фазовых превращений, происходящих во всех железоуглеродистых сплавах при нагреве и охлаждении. На диаграмме линия
ABCD является линией ликвидус, a AHJECF – линией солидус. Так как диаграмма является довольно сложной, то удобнее рассматривать диаграмму по частям. Область диаграммы с концентрацией углерода от 0 до 2.14% – область сталей, с содержанием углерода 2.14…6.67% - область чугунов.
На поле диаграммы состояния для каждой области указан фазовый или структурный состав каждого сплава при любой заданной температуре.
Например, из диаграммы видно, что сплав железа и углерода с содержанием углерода 0.5% при комнатной температуре будет иметь структуру (феррит + перлит), а сплав с содержанием углерода 1% будет иметь структуру (перлит + цементит).

7
На диаграмме имеются три горизонтальных линии – HJВ
(перитектическая), ECF (эвтектическая) и PSK (эвтектоидная). Наличие этих линий указывает на прохождение трех нонвариантных реакций (С = 0).
При температуре 1499ºС (линия HJB) протекает так называемая
перитектическая реакция – реакция превращения смеси жидкой фазы (Ж) и феррита (Ф) в аустенит (А):
А
Ф
Ж


Эта реакция наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от
0,1% до 0,5%.
При 1147ºС (линия ECF) протекает эвтектическая реакция – реакция, при которой из жидкости образуется двухфазная механическая смесь, в данном случае – механическая смесь аустенита и цементита:
Ц
A
Ж


Механическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом.
Реакция эта происходит у всех сплавов системы, содержащих более 2,14% углерода. Сплав железа и углерода с содержанием углерода 4.3%, имеющий структуру ледебурита в твердом состоянии, называется эвтектическим. В зависимости от положения относительно эвтектики (ледебурита) сплавы Fe и
C делятся на доэвтектические (содержание углерода менее 4.3%) и заэвтектические (содержание углерода более 4.3%). Все стали относятся к доэвтектическим сплавам, а чугуны могут быть как доэвтектическими, так и заэвтектическими.
При 727ºС (линия PSK) протекает эвтектоидная реакция – реакция, при которой из твердой фазы образуется двухфазная механическая смесь, в данном случае из аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита, называемая перлитом:
Ц
Ф
A


У всех сплавов, содержащих более 0,025% углерода, т.е. практически у всех промышленных железоуглеродистых сплавов происходит перлитное
(эвтектоидное) превращение. Сталь с содержанием углерода 0.8% называется

8 эвтектоидной. В зависимости от положения относительно эвтектоида
(перлита) стали делятся на доэвтектоидные (содержание углерода менее
0.8%) и заэвтектоидные (содержание углерода более 0.8%).
На рисунке 6.3 представлены фотографии микроструктур некоторых сталей. Такие фотографии можно получить при проведении микроанализа – исследования микроструктуры с использованием металлографического микроскопа на предварительно подготовленном образце – микрошлифе.
Подготовка поверхности микрошлифа включает его шлифование, полирование и травление (химическое или электрохимическое) с целью выявления границ зерен.
На рисунке
6.3а представлена фотография доэвтектоидной низкоуглеродистой стали с содержанием углерода около 0.1%. Светлые зерна на фотографии – зёрна феррита, тёмные – зерна перлита. Структура этой стали при комнатной температуре – (феррит + перлит).
На рисунке 6.3б представлена фотография заэвтектоидной стали с содержанием углерода 0.9%. Из диаграммы «железо – цементит» видно, что структура этой стали – (перлит + цементит). На фотографии коричневые и светло-коричневые зерна – это зерна перлита, а белые пластинки по границам зерен – пластинки цементита.
Анализ микроструктуры является одной из основных операций, производимых при оценке качества металла. Исследования таких фотографий микроструктуры позволяют установить структурный и фазовый состав сплавов, определить средний размер структурных составляющих
(зёрен), определить наличие дефектов и различного рода примесей
(неметаллические включения, поры и др.).

9 а б
Рисунок 6.3 – Микроструктуры углеродистых сталей: а – доэвтектоидной с содержанием углерода ≈ 0.1%; б – заэвтектоидной с содержанием углерода ≈ 0.9%