I.4. Диаграмма “Железо-цементит”

.4.1. Строение и свойства железа

Железо при обычных температурах имеет о.ц.к. решетку и его называют α-Fe.

При нагреве до температуры 910°С Fe сохраняет решетку объемноцентрированного куба. Однако, начиная с температуры 770˚С и выше, Fe становится немагнитным (парамагнетиком). Это Fe часто называют β-Fe. При температуре 910°С происходит перегруппировка атомов, и решетка становится г.ц.к.; такое железо называют γ-Fe. При температуре 1400°С вновь происходит перегруппировка атомов Fe, и образуется решетка о.ц.к. Это высокотемпературное α-Fe нередко называют δ-Fe. При температуре 1539°С 5°С Fе плавится.

Критическая температура превращения γ-Fe ↔ α-Fe (δ-Fe) при 1400°С (1392°С) обозначают точкой Ac₄ (Ar₄), температуру превращения α-Fe (β -Fe) ↔ γ -Fe при 910°C (898°C) - точкой Ac₃ (Ar₃). Температуру Кюри, равную 770°С (768°С), обозначают точкой Ас₂ (Аr₂).

При переходе α -Fe в γ -Fe кристаллическая решетка перестраивается из о.ц.к. в г.ц.к., при этом происходит ее объемное сжатие.

4.4.2. Компоненты и фазы в сплавах системы железо − углерод

Основными компонентами сплавов системы Fe−С является железо и углерод. Углерод − неметаллический элемент. Его плотность — 2,5 Мг/м³, Тпл = 3500°С. Он полиморфен и в обычных условиях находится в виде графита. Графит имеет решетку гексагональную, слоистую; обладает низкой прочностью и относительно невысокой электропроводностью.

Углерод растворяется в Fe, образуя жидкие и твердые растворы, а также образует с Fe химическое соединение − цементит (карбид железа Fe₃C). В высокоуглеродистых сплавах (в чугунах) углерод может находиться еще и в виде свободного графита.

Основными фазами и структурными составляющими сплавов системы Fe−С, от которых зависят свойства и поведение сплавов при механических и тепловых нагрузках, являются: феррит Ф, аустенит А, цементит Ц и продукты их эвтектического и эвтектоидного превращения: ледебурит Л и перлит П.

Феррит (от лат. ferrum − железо) − это твердый раствор углерода в α-железе. Различают низкотемпературный а-Ф с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ-Ф с предельной растворимостью углерода 0,1%.

Атомы растворенного углерода в Ф располагаются в центре граней о.ц.к. решетки, а также в вакансиях, на дислокациях и других дефектах.

Феррит имеет невысокие твердость (НВ 80 кгс/мм²) и прочностью (σ_в= 250 МПа) и высокую пластичность: его относительное удлинение перед разрывом δ = 50%. Поэтому технически чистое Fe (применяется в электротехнике), структуру которого представляют зерна феррита, хорошо подвергается холодной деформации, т.е. хорошо штампуется, прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в Fe−C сплавах, тем они более пластичны.

Аустенит (по имени английского ученого Аустена) − это твердый раствор углерода (и других элементов) в γ-Fe. Атомы растворенного в аустените углерода располагаются в центре элементарных ячеек г.ц.к. решетки. В зависимости от температуры, в А углерода может раствориться до 2,14% (при Т= 1147°С), т.е. больше, чем в Ф. Аустенит обычно существует только при Т> 727°С. При комнатной температуре он иногда в небольшом количестве сохраняется только в закаленной стали. Аустенит пластичен, его твердость НВ=160-200 кгс/мм², прочность σ=1600—2000 МПа, δ = 40—50%. А− парамагнетик, хуже проводит электрический ток и тепло, чем Ф.

Способность α- и γ-Fe растворять неодинаковое количество углерода играет важную роль при термической и химико-термической обработке стали.

Цементит (указывает на твердость этой фазы) — это химическое соединение Fe с С − карбид железа Fe₃C. Содержание углерода в Ц 6,67%, температура плавления точно не установлена в связи с возможностью его распада и принимается равной примерно 1550°С (в литературе встречается и 1600°, и 1250°С). Цементит при определенных условиях может распадаться на феррит и графит. До температуры 210°С (точка А_о) Ц слабо магнитен, выше − становится практически немагнитным. Цементит является самой твердой и хрупкой фазой в сплавах Fe−С. Его твердость составляет НВ=800 кгс/мм2, прочность σ=8000 МПа, а пластичность практически равна нулю, поэтому он способен только к небольшим упругим деформациям. Чем больше Ц в сплавах Fe−С, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают (например, чугуны).

Различают цементит Ц первичный Ц_I, − кристаллизуется непосредственно из жидкого раствора системы Fe−С, вторичный Ц_II − продукт распада аустенита и третичный Ц_III− продукт распада феррита.

Ледебурит (по имени немецкого ученого Ледебура) имеет эвтектическую структуру (колониального типа), состоящую из аустенита и цементита, одновременно кристаллизующихся из жидкого раствора при постоянной температуре, равной 1147°С. Ледебурит содержит углерода 4,3%. Он присутствует во всех затвердевших сплавах, содержащих углерод от 2,14 до 6,67%, называемых чугунами (в сталях его нет). Образование Л идет из жидкого раствора по схеме

(цифры в этой схеме и в схеме, приведенной ниже, указывают содержание углерода в данной фазе). Таким образом, при 1147°С имеет место эвтектическое превращение, в результате которого образуется ледебурит. При температурах выше 727°С ледебурит представляет собой аустенитно-цементитную эвтектику и обозначается через Ла. При температурах, равной и ниже 727°С, аустенит превращается в перлит (см. ниже) и образуется структура, содержащая перлит и цементит. Эта структура обозначается буквой Лп. Ледебурит − твердая и хрупкая структурная составляющая чугунов. При обычных температурах его твердость НВ=650 кгс/мм2, прочность σ=6500 МПа.

Перлит (от франц. perle — жемчуг, указывает на перламутровый отлив шлифа) − представляет собой эвтектоидную структуру, состоящую из смеси зерен (пластинок) феррита и цементита, образующуюся при постоянной температуре, равной 727°С в результате распада аустенита. При остывании Л до 727°С содержание в нем углерода становится равным 0,8%. Распад происходит по схеме

Распад Л называют эвтектоидным превращением, а образующуюся смесь тонких пластинок цементита и расположенных между ними более толстых пластинок феррита − эвтектоидной. Вообще эвтектоидным превращением называют процесс, когда твердый раствор определенного состава (в данном случае аустенит) при постоянной температуре трансформируется в структуру, состоящую из новых твердых фаз (в данном случае Ф и Ц). Перлит образуется как в сталях, так и в чугунах и играет важную роль в формировании их механических характеристик. Механические свойства П определяются формой и размером частиц цементитной фазы; чем мельче смесь, тем лучше свойства. Пластинчатый перлит имеет

НВ=180-220 кгс/мм2, σ=1800—2200 МПа, δ = 20%.