Сплавы системы «железо – углерод»

Сплавы железа и углерода — стали и чугуны — наиболее широко применяются в машиностроении. Объем их производства примерно в десять раз превышает производство всех других металлов, вместе взятых.

Компоненты и фазы в сплавах «железо — углерод»

Железо и углерод — это вещества, претерпевающие полиморфные превращения.

Железо — металл серебристого цвета; атомный номер 26; атомная масса 55,85 углеродных единиц; атомный радиус 0,127 нм. Плотность железа 7874 кг/м3. Температура плавления 1539 °C.

Железо в твердом состоянии может находиться в двух модификациях: железо-? (Fe?), решетка ОЦК с периодом а, равным 0,286 нм, и железо-? (Fe?), решетка ГЦК с периодом а = 0,364 нм. Fe? существует при температурах до 910 °C и от 1392 °C до 1539 °C. Fe? является магнитным (ферромагнитным) металлом до температуры 768 °C — точки Кюри, при которой он переходит в парамагнитное состояние. Железо с решеткой ОЦК, существующее при температурах свыше 1392 °C, обозначают железо-? (Fe?). Fe существует в интервале температур 910…139 °С и обладает парамагнитными свойствами.

Превращения, претерпеваемые железом при нагреве, приведены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Превращения железа при нагреве.

Температуры превращений железа (и сплавов на его основе) — критические точки — обозначают буквой А с индексами: с при нагреве — Ас и r при охлаждении — Аr с соответствующими номерами (рис. 4.2).

Железо образует со многими элементами химические соединения (например, с углеродом — карбиды, азотом — нитриды, серой — сульфиды и др.). Железо образует также твердые растворы: замещения с металлами и внедрения с неметаллами (углерод, азот, водород).

Углерод — неорганическое неметаллическое вещество; это элемент II периода IV группы Периодической системы, атомный номер 6, атомная масса 12,011, атомный радиус 0,077 нм, температура плавления 3500 °C. Может существовать в различных модификациях — графит и алмаз. Полиморфное превращение графит > алмаз происходит при высоких температурах и давлениях (реализуется при синтезе алмаза, см. 9.2.6).

Взаимодействие железа и углерода

Углерод растворяется в железе, находящемся в жидком состоянии, он растворяется также в железе, находящемся в твердом состоянии, — Fe? и Fe?, образуя при этом твердые растворы — феррит и аустенит соответственно. Углерод образует с железом и химическое соединение — карбид железа, называемый цементитом. Кроме того, в структуре ряда сплавов «железо — углерод» углерод может находиться в свободном состоянии в виде графита.

Рис. 4.2. Критические точки железа.

Феррит (Ф) — твердый раствор углерода в ?-железе. Растворимость углерода в феррите мала, так как центр куба решетки ОЦК занят атомом железа: 0,006% при температуре 20 °C, растворимость повышается при нагреве и достигает максимальной 0,02% при температуре 727 °C. Предельная растворимость углерода в высокотемпературном 8-феррите достигает 0,1% при 1499 °C. Феррит имеет невысокие твердость и прочность (~ 80 НВ, ?? = = 250…270 МПа, ?02 = 120…130 МПа) и высокую пластичность (8 = 50%, = 80%). Модуль нормальной упругости E=220 000 МПа.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода в ?-железе. Атом углерода в ГЦК-решетке ?-железа располагается в центре элементарной ячейки. Поэтому растворимость углерода в аустените значительно выше, чем в феррите. Она составляет 0,8% при 727 °C — минимальной температуре существования аустенита и повышается до 2,14% (предельная растворимость) при температуре 1147 °C. Для аустенита характерны высокая пластичность, низкие прочность и предел текучести; твердость аустенита — 170…200 НВ.

Структуры феррита и аустенита приведены на рис. 4.3.

Цементит (Ц) — карбид железа Fe3C, максимальное содержание углерода в котором составляет 6,67%. Цементит имеет ромбическую решетку (см. 1.3.1 и табл. 1.1), высокую твердость 800…850 IIV и низкую пластичность. Температура плавления цементита — 1260 °C. Цементит является.

Рис. 4.3. Структура феррита при 20 °С (а) и аустенита при 1000 °C (б).? 250.

метастабильной фазой и может распадаться с образованием свободного углерода в виде графита.

Графит (Гр) — углерод, находящийся в структуре сплавов в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку, обладает хорошей электропроводностью, химической стойкостью, малой прочностью, очень низкой твердостью.

Таким образом, в сплавах железа с углеродом существуют следующие фазы: жидкий раствор (Ж), феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц) и свободный углерод в виде графита (Гр). Среди этих фаз имеются две высокоуглеродистые: метастабильная — цементит (Ц) и стабильная — графит (Гр).

Цементит и графит являются компонентами двух разных диаграмм состояния железоуглеродистых сплавов. Одна — метастабильная, характеризующая превращения в системе «Fe — Fe3C» (железо — цементит), а другая стабильная, отражающая превращения в системе «Fe — С» (железо — углерод).