Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

Железо в отличие от других металлов образует не одну, а две кристаллические решетки: при температуре ниже 911° С устойчивой кристаллической формой железа будет решетка объемно-центрированного куба, в интервале температур 911—1392° С — гранецентрированная кубическая решетка, выше температуры 1392° С — вновь появляется объемно-центрированная кубическая решетка, которая сохраняется до температуры плавления (1536° С). Модификациям железа, имеющим объемно-центрированную кубическую решетку при 911 С и свыше 1392° С, соответственно даны обозначения α и δ, имеющим гранецентрированную кубическую решетку — γ.

Температурные точки перехода одной модификации в другую называют критическими точками.

В основном в технике применяется сплав железа с углеродом, чистое железо получить трудно и применяется оно редко.

В зависимости от содержания углерода сплавы железа с углеродом получили следующие наименования:

— техническое железо — сплав, содержащий от 0, 04 до
0, 2% углерода;

—сталь — сплав, содержащий от 0, 2 до 2% углерода;

— чугун — сплав, содержащий от 2, 0 до 6, 67% угле
рода.

В жидком состоянии железо полностью растворяет
род в количестве до 6, 7%. В твердом состоянии раствори
мость углерода в железе зависит от кристаллического строения его модификаций и составляет:

—в α -Fe (альфа-железе) —до 0, 03% углерода;

—в γ -F^e (гамма-железе) —до 2% углерода;

—в δ –Fe (дельта-железе) — до 0, 1% углерода.

Твердые растворы углерода и других легирующих элементов в различных модификациях железа получили наименование:

— в α -железе и δ -железе — феррит (α -феррит и β феррит);

—в γ -железе— аустенит.

Так как содержание углерода в промышленных сортах стали превышает его растворимость в α -железе, то избыточные атомы углерода, не входящие в феррит, oбразуют с атомами железа химическое соединение карбид железа Fe 3C, называемое цементит.

Таким образом, при нормальных температурных условиях структура стали состоят из феррита и цементита которые могут представлять собой отдельные включения или тонкую механическую смесь, называемую перлитом.

На диаграмме сплавов железа с углеродом (рис. 5.2) внесены критические температуры и линии разделения фаз. Как видно из диаграммы, по мере охлаждения сплава железас углеродом будут наблюдаться следующие фазы:

 

 

Рис. 5.2. Диаграмма сплавов железа с углеродом

На диаграмме сплавов железа с углеродом (рис. 5.2) нанесены критические температуры и линии разделения фаз. Как видно из диаграммы, по мере охлаждения сплава железас углеродом будут наблюдаться следующие фазы:

- выше линии ACD находится область устойчивых жидких растворов железа и углерода;

- в области АЕСА — жидкий раствор железа и углерода и цементит;

- в области DCFD — жидкий раствор и цементит;

- в области GSEAG — аустенит;

- в области SEFKS — аустенит и цементит;

- в области PSGP — феррит и аустенит;

- ниже линии PSK — феррит и цементит.

Выше и ниже перечисленных температурных линий будут находиться названные устойчивые фазы. На линиях и вблизи них будет наблюдаться неустойчивое равновесие фаз соседних областей. Так, при содержании углерода 2% на линии PSK будет наблюдаться неустойчивое равновесие, состоящее из фаз аустенита, цементита и феррита.

Горизонтальные линии, соответствующие температурам 768 и 210° С, отображают магнитные превращения феррита и цементита. Ниже линии, соответствующей температуре 768° С, феррит обладает ферромагнитными свойствами; выше этой линии он становится парамагнитным. Выше линии, соответствующей температуре 210° С, цементит находится в парамагнитном состоянии: ниже линии, соответствующей температуре 210° С, он становится ферромагнитным.

Из диаграммы видно, что при нормальных условиях равновесными структурами стали являются феррит, цементит и перлит. Так как углерод малорастворим в α -железе структура, состоящая из одного феррита, может наблюдаться только в технически чистом железе.

Структурные составляющие имеют следующие свойства:

—феррит — высокопластический материал, имеюипш необходимую прочность и твердость (НВ = 80);

—цементит — хрупкий материал, температура плавления 1600° С, обладает высокой твердостью (НВ = 700), большие количества цементитных образований наблюдаются в сталях с высоким содержанием углерода (1, 5—2%).

— перлит — имеет две формы: зернистый перлит, в котором цементит имеет форму глобулей и пластинчатый перлит, в котором феррит и цементит находятся в форме вытянутых пластинок;

— аустенит — твердый раствор углерода в γ – железе.

Аустенит обладает хорошей сопротивляемостью истиранию и большой вязкостью; он существует в сталях при температурах выше 723° С. Сталь, имеющая аустенитнуй структуру, очень пластична. Это свойство используется в технологическом производстве, где прокатку, штамповку, ковку ведут при температурах, обеспечивающих аустенитную структуру стали.